CN110503533B - 一种基于区块链的异质频谱多轮拍卖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的多轮异质频谱拍卖方法，根据频谱的异质性和供需动态性，构建私有链以及专用代币并利用智能合约在时间轴上按轮次地进行多买方、多卖方的拍卖。这种方法不仅维护拍卖公平性的效果，还能实现很高的经济效益。为解决在频谱资源日益稀缺的环境下频谱拍卖的不公平性，通过引入区块链替代第三方并实施多轮异质拍卖，可以有效提高频谱拍卖的公平性。

Description

一种基于区块链的异质频谱多轮拍卖方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域和智能合约技术领域，尤其涉及基于区块链的异质频谱多轮拍卖方法。

背景技术

世界各地的人们都面临着严重的频谱稀缺危机。在欧盟21国家，截至2016年6月底，移动LTE已经覆盖了97％的家庭，其中农村覆盖率达到了83％。另外由于卫星、广播、电视等都需要以波的形式传播，当然也同样占用一定的频段，可用频段更加稀缺。FCC计划通过频谱许可证来实现频谱共享，为新兴的无线宽带服务。频谱拍卖是指授权用户规划某一频段，对外进行公开拍卖，以公开竞价的方式，将该频段的使用权转让给最高应价者使用。频谱拍卖作为一种有效的频谱资源分配方式，主要回答了一个基本的问题，即谁以何种价格获得牌照。拍卖是分配频谱执照的一种透明的方式。

现有的拍卖技术大多利用一个第三方的拍卖方来执行拍卖流程，卖家将需要拍卖的频谱发送给拍卖方。然而这种方式有一个在隐私保护上存在缺陷，尽管已经做了大量的工作来解决隐私问题，恶意攻击者仍然可以通过拍卖商获得买方和卖方的私人数据，如财务能力、商业机密。甚至频谱拍卖的公平性、隐私性和安全性也可能受到恶意攻击者的威胁。考虑到第三方的存在可能影响买卖双方的权利，所以我们发明了一种消除第三方的拍卖方法。区块链由一个分散和开放的成员对等网络维护，该网络取代了银行拥有财务分类账的集中角色。与区块链合作，通过共识协议正确执行智能合约。区块链由于具有分散、不篡改、匿名等特点，特别适合于频谱拍卖。智能合约是一个运行于区块链上并由一致性协议强制执行的程序，无需外部可信的第三方监控。它具有极富表现力的编程语言和代码直接存储在区块链中，可以在不需要中间人的情况下进行交换，例如金钱、股票、财产或任何具有一定价值的东西。智能合约涉及将金钱或财产转移到一个项目上。该程序将运行代码并自动验证一个条件，该条件将确定资产是否必须前往某个人或返回另一个人，或者是否应退还出资者或各种组合。同时，分散式账本将存储和复制文件，从而使其更安全。

除此之外，一般的频谱拍卖是单轮的。如果某个卖家拥有的频谱的使用时间确实很短，那么由于以前的拍卖机制，很难充分利用该频谱。此外，人们需要在每次拍卖开始时发布他们的订单，额外的通讯费用。据我们所知，前者的研究总是集中在同质光谱上，而同质光谱又不能适应市场的波动。因此，针对频谱拍卖中存在的问题，我们将动态分配应用于私有区块链上的异构频谱拍卖，在社会福利和匹配率方面取得了较高的经济效益。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于区块链的异质频谱多轮拍卖方法。

本发明的技术方案为一种基于区块链的异质频谱多轮拍卖机制，包含以下步骤：

步骤1，确定频谱拍卖机制涉及对象

频谱拍卖涉及的对象包括可以重复利用的异质频谱，频谱使用执照，频谱使用执照拥有者-卖方，购买频谱使用执照者-买方，私有链，智能合约。

步骤2，创建私有链

在以太坊上创建私有区块链。区块链用于存储频谱拍卖结果和交易记录，代币用于交易直接的货币流通。。

步骤3，频谱拍卖和交易协议

在私有链上进行频谱拍卖和交易必须遵循协议。

拍卖按轮次进行。每一轮次分为四个阶段：

在注册阶段，卖方向区块链和智能合约提交加密了的频谱执照、押金、频谱估值和频谱的到期时间。

在竞标阶段，买家的竞标和定金一起放在智能合约上。

在中标者和支付决定阶段，智能合约根据买家的干涉图和出价来将买家和卖家进行匹配。然后智能合约对频谱进行分配，确定频谱的小组出价，最后进行广播分配。

最后在清算阶段，卖方将编码频谱执照的密钥发送给买方。

进一步地，所述步骤2中，区块链中的每个区块存储一个轮次发生的事务信息，包括用户状态、交易信息、回执单信息。区块中存了上述信息的压缩信息，这些压缩信息以哈希树的信息存在。卖家、买家、交易、频谱、存款、执照的真实信息都存储在底层的以太坊数据库中。将用户状态信息、交易信息、回执单信息转换为作为元数据的树根。只有事务树根和接收树根存储在区块链上。区块链可以通过这些根从数据库中准确地找到所有特定的信息。智能合约的元数据和详细信息分别存储在区块链和数据库中。

更进一步地，所述步骤3中，分为以下四个阶段：

注册阶段。假设第t轮中，卖方i加密她想要出售的频谱执照，然后发送订单(i, S _i,j ,L _i,j ,T _i,j ,V _i,j )到区块链上的智能合约，包括卖方ID、待售频谱、待售频谱执照、频谱可用时间和卖方对频谱的估值。T<T+1的订单将被本轮拒绝。然后，卖方i将被要求支付M美元的押金，其中押金等于卖方对该频谱的估值，即M＝V _i,j 。智能合约维护一个托管池ESPOOL来存储所有参与者的押金，并为卖方i创建DPST[G _i ]，为买方i创建DPST[B _i ]。然后智能合约检查卖方是否有能力支付价值为M的押金。如果是，则所需的资金将从分类帐Ledger[i]转移到托管池ESPOOL，并更新交易商的分类帐余额和存款记录。只有有效的订单才会被保存在订单簿中。对于订单簿中的所有可用频谱，智能合约检查它是否已过期。如果是，它将从订单中删除，退还该频谱的押金。最后所有频谱按照频率上升的规则排序，被排序为S _k ＝(S ₁ ,S ₂ ,…,S _k )；

在竞标阶段，买方i可得知所有可用频谱，然后提交她对所有频谱的竞标(i,S _i,j , W _i,j )。其中S _i,j ＝{S _i,j,1 ,S _i,j,2 ,…,S _i,j,k },W _i,j ＝{b _i,j,1 ,b _i,j,2 ,…,b _i,j,k }。然后，买方i提交一份押金申请，其中包含她向智能合约存入的押金M(M的数值等于该买方对所有的频谱出价的最高价)。一旦智能合约确定买方能够支付她的押金，所需的资金将从他的账户转移到托管池ESPOOL，买方的帐户余额和押金记录将被更新。否则，出价将被推翻。

中标者和支付决定阶段。智能合约在集合B中收集所有竞标信息，并按照订单顺序构造频谱S _k 的干涉图g _k 。然后，找到一个独立的子集g _k ，从B中删除g _k 中的成员。‖g _k ‖是集合中买家的数量。智能合约重复上述步骤，直到没有买家要分组或没有剩余的频谱。下一步，智能合约建立向量

=0和

=0表示所有卖家的支付和所有买家的价格。最后，智能合约将每组竞价与卖方对匹配频谱的估值进行比较。如果小组竞标价高于估值，p _k >V _i,k ，则除出价最低的成员外，将对应的频谱执照分配给组内的每个成员。对于卖方i，小组竞标将添加到SP _i 。如果买方i是中标小组g _k 的一员，那么买方i对应的p _i 则需加上中标小组的小组竞标价，其中p _i 是买家i需要支付她赢得的所有频谱的花费。

清算阶段。首先执行验证协议来实现双方公平交易，防止买卖双方陷入僵局。买方先验证频谱执照，若对该执照持有异议则可交由智能合约判断，然后智能合约转移资金，重启下一轮交易。详细过程如下：首先，智能合约广播竞标结果频谱分配A到所有节点和区块链的每个用户。然后卖方将密钥和加密的频谱执照发送给相应的买方。如果执照有效，智能合约开始清理市场并将资金转移给卖方。否则，买家就会向智能合约投诉。收到投诉后，如果智能合约发现超过一半的买家对这个频谱有投诉，那么智能合约命令卖家重新发送密钥，并判断执照是否有效。如果许可无效或智能合约未收到密钥，则该投诉将被智能合约接受，该频谱的获胜者将获得补偿。否则，投诉将被拒绝，智能合约将发送钥匙让买家继续执行。整个验证过程分为5个步骤，初始化、显示、支付、判断和最终确定。最后，智能合约将买方i的剩余存款DPST[B _i ]-p _i 从托管池ESPOOL退还到i的账户，并将总付款SP _i 发送给卖方i。

本发明的优点在于：

本发明是第一个通过一轮处理多个订单的拍卖方法，该方法在私有区块链上建立一个针对动态异构频谱市场的一般拍卖框架。

我们通过采用基于智能合约的验证协议来激励理智的参与者进行公平交换，从而解决了公平问题。通过减小区块大小和区块链的挖矿难度，解决了吞吐量的问题。

我们在一个模拟以太坊网络上进行了大量的实验，以验证该方法能够提高频谱的利用率，以低通信和计算成本实现高匹配率和经济效率。

附图说明

图1是本发明实施的系统框架图。

图2是本发明实施的异质频谱多轮拍卖的流程图。

图3是本发明实施的干涉图实例。

具体实施方式

本发明主要基于区块链技术，根据频谱的异质性和供需动态性，构建私有链并利用智能合约在时间轴上按轮次地进行多买方、多卖方的拍卖。本发明可以不仅提高频谱的复用率，维护拍卖公平性的效果，还能实现很高的经济效益。下面将对本发明实施例中的技术方案进行清完整的描述：

步骤1，确定频谱拍卖机制涉及对象

频谱拍卖涉及的对象包括可以重复利用的异质频谱，频谱使用证书，频谱使用证书拥有者-卖方，购买频谱使用证书者-买方，私有链，智能合约。

本实施例中，有3个卖家:一个卖家S ₁ 用有2个频谱，并分别估值S _1,1 ＝5,S _1,2 ＝4，另两个卖家各有一个估值为S _2,1 ＝4,S _3,1 ＝1的频谱。

步骤2，创建私有链

在私有区块链上创建了全新的动态异质频谱交易市场。与传统的基于第三方的频谱交易不同，本拍卖方法的信息记录在区块链上。本拍卖方法的总体架构如图1所示。

本实施例中，卖方1押金为9，卖方2的押金4，卖方3的押金为1。

步骤3，频谱拍卖和交易协议

在私有链上进行频谱拍卖和交易必须遵循协议。

拍卖是在多个时间段进行的，每个时间段被称为轮。每一轮分为四个阶段：

在注册阶段，卖方向区块链和智能合约提交加密了的频谱执照、押金、频谱估值和频谱的到期时间。

在竞标阶段，买家的竞标和定金一起放在智能合约上。

在中标者和支付决定阶段，智能合约根据买家的干涉图和出价来将买家和卖家进行匹配。然后智能合约对频谱进行分配，确定频谱的小组出价，最后进行广播分配。

最后在清算阶段，卖方将编码频谱执照的密钥发送给买方。

本发明的拍卖方法是一个适用于多轮动态异质双频谱拍卖的通用框架。这里的频谱是可重复使用的，可以卖给多个互不干涉的买家。买家可以对多个频谱感兴趣。

我们假设这4个频谱已经按照频率的上升顺序排列。我们把这4个频谱重新编号为sp ₁ ，sp ₂ ，sp ₃ ，ps ₄ 。有9个买家。想要多个频谱的买家需要提交更多的投标，例如，对两个频谱的竞标，投标向量表示为a ₁ 、a ₂ 。然后，因为买方a想要两个频谱，所以她向智能合约提交两份存款申请，分别包含$M _1,1 ＝7，$M _1,2 ＝7。图3为注册频谱的干涉图，我们也可以知道图中每个买家的竞标向量值。

图3的(a)显示了sp ₁ 的干涉图。g ₁ ＝{a ₁ ，e ₁ }，因为a ₁对sp ₁ 的出价大于e ₁ 的出价。所以出价最低者不能获胜，所以a ₁ 获胜，sp ₁ 的小组竞标价为6，sp ₁ 的拥有者获得竞标价为6。在第二次迭代中，从图中删除a ₁ 、e ₁两个结点，并且删除(a ₂ ,c)、(a ₂ ,g)、(c,e ₂ )、(e ₂ ,b)、(e ₂ ,g)和(e ₂,f)之间的边，因为对频谱sp ₂ 这几个买家互不干扰。g ₂ ＝{a ₂ ,c,e ₂ }，组标p ₂ ＝3*2＝6。随后，在第三次迭代中，将a ₂ ,c, e ₂ 从图中剔除。g ₃ ＝{b,d}，小组竞标价为3。在第4次迭代中，g ₄ ＝{f,g}，小组竞标价为2。在所有分组工作完成后，智能合约将各个小组竞标价与卖方的相应估值进行比较。如果该小组的出价不超过估值，买卖双方竞标失败。频谱sp ₃ 的拥有者和买家b,d在该轮竞标失败。a ₁ 分配到了sp ₁ ，需支付6；a ₂ 、c分别分配到了sp ₂ 并各自支付3给卖家；拥有sp ₁ 、sp ₂ 的卖方S ₁ 得到12；f分配到了sp ₄ ，需支付2；拥有sp ₄ 的S ₃ 得到付款金额2。所有这些交易都是基于公平交换来执行的。在下一轮中，如果订单中的一个频谱过期，将从订单中删除。否则卖方不需要再次注册，从而减少通信量并提高智能合同的效率，新的卖家可以在这一轮注册。

Claims (2)

1.一种基于区块链的异质频谱多轮拍卖方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，确定频谱拍卖机制涉及对象

频谱拍卖涉及的对象包括可以重复利用的异质频谱，频谱使用执照，频谱使用执照拥有者，购买频谱使用执照者，私有链，智能合约；

步骤2，创建私有链

在以太坊上创建私有区块链，区块链用于存储频谱拍卖结果和交易记录；

步骤3，频谱拍卖和交易协议

拍卖按轮次进行，每一轮次分为四个阶段：

在注册阶段、在竞标阶段、中标者和支付决定阶段和清算阶段；

注册阶段，假设第t轮中，卖方i加密她想要出售的频谱执照，然后发送订单（i,S _i,j ,L _i,j ,T _i,j ,V _i,j )到区块链上的智能合约，包括卖方IDi、待售频谱S _i,j 、待售频谱执照L _i,j 、频谱可用时间T _i,j 和卖方对频谱的估值V _i,j ；T<T+1的订单将被本轮拒绝；然后，卖方i将被要求支付M美元的押金，其中押金等于卖方对该频谱的估值,即M＝V _i,j ；智能合约维护一个托管池ESPOOL来存储所有参与者的押金，并为卖方i创建剩余存款DPST[G _i ]，为买方i创建剩余存款DPST[B _i ]；然后智能合约检查卖方是否有能力支付价值为M的押金；如果是，则所需的资金将从分类帐Ledger[i]转移到托管池ESPOOL，并更新交易商的分类帐余额和存款记录；只有有效的订单才会被保存在订单簿中；对于订单簿中的所有可用频谱，智能合约检查它是否已过期；如果是，它将从订单中删除，退还该频谱的押金；最后所有频谱按照频率上升的规则排序，被排序为S _k ＝(S ₁ ,S ₂ ,…,S _k )；

在竞标阶段，买方i可得知所有可用频谱，然后提交她对所有频谱的竞标(i,S _i,j ,W _i,j )，其中S _i,j ＝{S _i,j,1 ,S _i,j,2 ,…,S _i,j,k },W _i,j ＝{b _i,j,1 ,b _i,j,2 ,…,b _i,j,k }，然后，买方i提交一份押金申请，其中包含她向智能合约存入的押金M，其中，M的数值等于该买方对所有的频谱出价的最高价；一旦智能合约确定买方能够支付她的押金，所需的资金将从他的账户转移到托管池ESPOOL，买方的帐户余额和押金记录将被更新，否则，出价将被推翻；

中标者和支付决定阶段，智能合约在集合B中收集所有竞标信息，并按照订单顺序构造频谱S _k 的干涉图g _k ，然后，找到一个独立的子集g _k ，从B中删除g _k 中的成员，‖g _k ‖是集合中买家的数量，智能合约重复上述步骤，直到没有买家要分组或没有剩余的频谱，下一步，智能合约建立向量

=0和

=0表示所有卖家的支付和所有买家的价格，最后，智能合约将每组竞价与卖方对匹配频谱的估值进行比较，如果小组竞标价高于估值，p _k >V _i,k ，则除出价最低的成员外，将对应的频谱执照分配给组内的每个成员，对于卖方i，小组竞标将添加到总付款SP _i ，如果买方i是中标小组g _k 的一员，那么买方i对应的p _i 则需加上中标小组的小组竞标价，其中p _i 是买家i需要支付她赢得的所有频谱的花费；

清算阶段，买方先验证频谱执照，若对该执照持有异议则可交由智能合约判断，然后智能合约转移资金，重启下一轮交易，详细过程如下：首先，智能合约广播竞标结果频谱分配A到所有节点和区块链的每个用户，然后卖方将密钥和加密的频谱执照发送给相应的买方，如果执照有效，智能合约开始清理市场并将资金转移给卖方；否则，买家就会向智能合约投诉，收到投诉后，如果智能合约发现超过一半的买家对这个频谱有投诉，那么智能合约命令卖家重新发送密钥，并判断执照是否有效；如果许可无效或智能合约未收到密钥，则该投诉将被智能合约接受，该频谱的获胜者将获得补偿，否则，投诉将被拒绝，智能合约将发送钥匙让买家继续执行，最后，智能合约将买方i的剩余存款DPST[B _i ]-p _i 从托管池ESPOOL退还到i的账户，并将总付款SP _i 发送给卖方i。

2.根据权利要求1所述一种基于区块链的异质频谱多轮拍卖方法，其特征在于：所述步骤2中，区块链中的每个区块存储一个轮次发生的事务信息，包括用户状态、交易信息、回执单信息；且所述事务信息以哈希树的信息存在；其中卖家、买家、交易、频谱、存款、执照的真实信息都存储在底层的以太坊数据库中，用户状态信息、交易信息、回执单信息转换为作为元数据的树根，区块链上存储事务树根和接收树根，智能合约的元数据和详细信息分别存储在区块链和数据库中。

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